STM32单片机延时函数全解析：SysTick和HAL库的奥秘

 # 1. STM32延时函数概述 STM32微控制器中，延时函数是实现系统定时和控制的重要功能。它允许程序员以精确的时间间隔执行任务，从而实现各种应用。STM32提供多种延时机制，包括SysTick定时器和HAL库函数，每种机制都有其独特的特性和适用场景。本章将概述STM32延时函数，为后续章节的深入探讨奠定基础。 # 2. SysTick延时机制 ### 2.1 SysTick寄存器结构与配置 SysTick是STM32系列MCU中用于实现系统定时器的外设。其寄存器结构如下： ``` struct __attribute__((packed)) SysTick_TypeDef { volatile uint32_t CTRL; // 控制和状态寄存器 volatile uint32_t LOAD; // 重载值寄存器 volatile uint32_t VAL; // 当前值寄存器 volatile const uint32_t CALIB; // 校准值寄存器 }; ``` 其中，关键寄存器如下： - **CTRL：**控制和状态寄存器，用于配置SysTick时钟源、中断使能、计数模式等。 - **LOAD：**重载值寄存器，用于设置SysTick定时器的重载值。 - **VAL：**当前值寄存器，用于读取SysTick定时器的当前值。 ### 2.2 SysTick中断处理流程 SysTick中断处理流程如下： 1. 当SysTick定时器计数器减至0时，触发SysTick中断。 2. 进入中断服务程序（ISR），执行中断处理代码。 3. 清除SysTick中断标志位。 4. 重载SysTick定时器，重新开始计数。 ### 2.3 SysTick延时函数实现 基于SysTick中断机制，可以实现延时函数。其基本原理如下： 1. 配置SysTick定时器，设置重载值。 2. 进入SysTick中断服务程序，执行延时操作。 3. 在延时操作完成后，退出中断服务程序。 ```c void SysTick_DelayMs(uint32_t ms) { // 计算SysTick重载值 uint32_t reload = (ms * (SystemCoreClock / 1000)) - 1; // 配置SysTick SysTick->LOAD = reload; SysTick->VAL = 0; SysTick->CTRL |= SysTick_CTRL_ENABLE_Msk | SysTick_CTRL_TICKINT_Msk; // 进入SysTick中断服务程序 while (!(SysTick->CTRL & SysTick_CTRL_COUNTFLAG_Msk)); // 清除SysTick中断标志位 SysTick->CTRL &= ~SysTick_CTRL_COUNTFLAG_Msk; // 退出SysTick中断服务程序 } ``` **代码逻辑逐行解读：** - 计算SysTick重载值：根据给定的延时时间ms，计算出SysTick定时器的重载值，以实现ms级的延时。 - 配置SysTick：设置SysTick定时器的重载值、当前值和控制寄存器，使能SysTick定时器和中断。 - 进入SysTick中断服务程序：进入SysTick中断服务程序，等待SysTick定时器计数器减至0。 - 清除SysTick中断标志位：当SysTick定时器计数器减至0时，触发SysTick中断，清除中断标志位。 - 退出SysTick中断服务程序：延时操作完成后，退出SysTick中断服务程序。 # 3. HAL库延时机制 ### 3.1 HAL库延时函数分类 HAL库提供了两种延时函数： - `HAL_Delay()`: 毫秒级延时函数，可实现毫秒级延时。 - `HAL_DelayUS()`: 微秒级延时函数，可实现微秒级延时。 ### 3.2 `HAL_Delay()`函数原理与使用 `HAL_Delay()`函数的原理是使用SysTick定时器。其内部实现如下： ```c void HAL_Delay(uint32_t Delay) { __HAL_RCC_SYSCFG_CLK_ENABLE(); HAL_IncTick(); HAL_SYSTICK_Config(HAL_RCC_GetHCLKFreq() / 1000); while (Delay--) { while ((SysTick->CTRL & SysTick_CTRL_COUNTFLAG_Msk) == 0) { } HAL_IncTick(); } SysTick->CTRL &= ~SysTick_CTRL_ENABLE_Msk; } ``` **参数说明：** - `Delay`: 延时时间，单位为毫秒。 **使用步骤：** 1. 使能SysTick时钟。 2. 调用`HAL_IncTick()`函数增加SysTick计数器。 3. 配置SysTick定时器，使其每1ms产生一个中断。 4. 进入延时循环，等待`Delay`个毫秒。 5. 在延时循环中，不断检查SysTick中断标志位。 6. 每当SysTick中断发生时，调用`HAL_IncTick()`函数增加SysTick计数器。 7. 当延时时间达到时，退出延时循环，关闭SysTick定时器。 ### 3.3 `HAL_DelayUS()`函数原理与使用 `HAL_DelayUS()`函数的原理是使用SysTick定时器和CPU时钟频率。其内部实现如下： ```c void HAL_DelayUS(uint32_t Delay) { uint32_t tickstart = HAL_GetTick(); uint32_t wait = Delay * (HAL_RCC_GetHCLKFreq() / 1000000); while ((HAL_GetTick() - tickstart) < wait) { } } ``` **参数说明：** - `Delay`: 延时时间，单位为微秒。 **使用步骤：** 1. 获取当前SysTick计数器值。 2. 计算延时时间对应的SysTick计数器增量。 3. 进入延时循环，等待SysTick计数器增量达到。 4. 在延时循环中，不断检查SysTick计数器值。 5. 当延时时间达到时，退出延时循环。 # 4. SysTick与HAL库延时函数对比 ### 4.1 延时精度对比 SysTick和HAL库延时函数的延时精度都受限于系统时钟的精度。对于STM32系列MCU，系统时钟的精度一般为1μs。因此，SysTick和HAL库延时函数的延时精度也都在1μs左右。 **SysTick延时精度** SysTick延时精度主要受以下因素影响： - 系统时钟精度 - SysTick时钟源选择 - SysTick计数器分辨率 **HAL库延时精度** HAL库延时精度主要受以下因素影响： - 系统时钟精度 - HAL库延时函数实现方式 ### 4.2 延时范围对比 SysTick和HAL库延时函数的延时范围不同。SysTick延时范围为0~0xFFFFFFFF（约4.29s），而HAL库延时函数的延时范围为0~0x7FFFFFFF（约2.14s）。 **SysTick延时范围** SysTick延时范围由SysTick计数器的位宽决定。SysTick计数器为32位寄存器，因此其延时范围为0~0xFFFFFFFF。 **HAL库延时范围** HAL库延时函数的延时范围由其内部实现方式决定。HAL库延时函数一般通过循环的方式实现，因此其延时范围受限于循环次数。HAL_Delay()函数的延时范围为0~0x7FFFFFFF，而HAL_DelayUS()函数的延时范围为0~0x3FFFFFFF。 ### 4.3 延时效率对比 SysTick和HAL库延时函数的延时效率也不同。SysTick延时函数的效率更高，而HAL库延时函数的效率稍低。 **SysTick延时效率** SysTick延时函数的效率较高，主要是因为其直接使用SysTick硬件定时器实现。SysTick硬件定时器是一个独立的定时器，不占用CPU资源。因此，SysTick延时函数的执行不会影响其他任务的执行。 **HAL库延时效率** HAL库延时函数的效率稍低，主要是因为其通过循环的方式实现。循环的方式需要占用CPU资源，因此HAL库延时函数的执行会影响其他任务的执行。 **性能对比表格** | 特性 | SysTick延时函数 | HAL库延时函数 | |---|---|---| | 延时精度 | 1μs | 1μs | | 延时范围 | 0~0xFFFFFFFF | 0~0x7FFFFFFF | | 延时效率 | 高 | 低 | # 5.1 LED闪烁程序 在LED闪烁程序中，延时函数用于控制LED的亮灭时间。以下是一个使用SysTick延时函数实现LED闪烁的示例代码： ```c #include "stm32f10x.h" void SysTick_Handler(void) { GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_5, (BitAction)(1 - GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_5))); } int main(void) { RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); SysTick_Config(SystemCoreClock / 1000); while (1) { } } ``` 在这个程序中，SysTick中断服务函数用于切换LED的状态。当SysTick中断发生时，它会将LED的输出电平取反，从而实现LED的闪烁。 ## 5.2 串口通信程序 在串口通信程序中，延时函数用于控制数据的发送和接收速率。以下是一个使用HAL库延时函数实现串口通信的示例代码： ```c #include "stm32f10x.h" #include "usart.h" int main(void) { USART_InitTypeDef USART_InitStructure; USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600; USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b; USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1; USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No; USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx; USART_Init(USART1, &USART_InitStructure); while (1) { uint8_t data = USART_ReceiveData(USART1); HAL_Delay(10); USART_SendData(USART1, data); } } ``` 在这个程序中，HAL_Delay()函数用于在数据发送和接收之间引入延迟，以确保数据传输的可靠性。 ## 5.3 定时器中断程序 在定时器中断程序中，延时函数用于控制定时器中断的发生频率。以下是一个使用SysTick延时函数实现定时器中断的示例代码： ```c #include "stm32f10x.h" void SysTick_Handler(void) { TIM_SetCounter(TIM2, 0); TIM_Cmd(TIM2, ENABLE); } void TIM2_IRQHandler(void) { if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET) { TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update); } } int main(void) { RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE); TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 8400 - 1; TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 1000 - 1; TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure); TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE); SysTick_Config(SystemCoreClock / 1000); while (1) { } } ``` 在这个程序中，SysTick中断服务函数用于触发定时器中断。当SysTick中断发生时，它会将定时器2的计数器清零并使能定时器2。定时器2中断服务函数用于清除定时器2的中断标志位。